詳細(xì)介紹量子計算的現(xiàn)狀與未來概述

量子計算、量子通訊在國內(nèi)炒得很熱。其實也不但在國內(nèi)，在國外也一樣。大家覺得超級計算機(jī)已經(jīng)走到瓶頸，量子計算機(jī)也許是一條出路。本月IEEE Spectrum 2018/4月號發(fā)表Lee Gomes一篇長文，題目叫“Quantum Computing：Both Here and Not Here”比較詳細(xì)介紹了量子計算的現(xiàn)狀與未來。

薛定諤的貓，大家都聽說過，它同時既是活的，也是死的?，F(xiàn)在追隨薛定諤的科學(xué)家也是在一種怪異的狀態(tài)，同時高興又驚駭。薛定諤思想的實驗現(xiàn)在進(jìn)入創(chuàng)造量子計算機(jī)的時期，希望能做一些傳統(tǒng)計算機(jī)不能做的事。

2014/2/17時代雜志封面"無窮機(jī)器"，說它能解人類大部分復(fù)雜問題。此后許多雜志跟著這么夸張。科學(xué)家們希望表明量子霸權(quán)，即系統(tǒng)可以解決已有傳統(tǒng)計算機(jī)內(nèi)存和處理器無法處理的問題。實際上，Google算法運(yùn)行并沒有什么實際意義，不過是超出了目前傳統(tǒng)計算機(jī)的范圍。

建造量子計算機(jī)來解決現(xiàn)實世界的問題還需要許多年的研究。Google和IBM搞量子計算的工程師們說：量子夢境機(jī)要解決令計算困惑的問題也許要幾十年以后。即使在那時，也沒人期望量子計算機(jī)會取代傳統(tǒng)計算機(jī)。目前所有的量子計算機(jī)都是和傳統(tǒng)計算機(jī)一起完成預(yù)處理和后處理的步驟。許多傳統(tǒng)計算機(jī)可以很快執(zhí)行的編程任務(wù)在量子計算機(jī)上可能更慢，即使與量子計算機(jī)配合的軟硬件均已齊備，也是如此。

在美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）多年研究量子后來轉(zhuǎn)到微軟的Stephen Jordan說：量子機(jī)器只對用今天的計算機(jī)需要大量資源投入的一類計算任務(wù)有用。

量子計算機(jī)的想法源于1981年諾獎獲得者、物理學(xué)家Richard Feynman的一次演說。他指出了用亞原子顆粒去模型化其他亞原子顆粒的形態(tài)的可能性。但是，一個關(guān)鍵的出發(fā)點是Peter Shor的一篇文章。他后來到了AT&T貝爾實驗室，現(xiàn)在MIT。他說如果量子計算機(jī)可以建造出來，它可以找到大數(shù)的質(zhì)因子，從而戰(zhàn)勝通常使用的公鑰密碼系統(tǒng)。這種計算機(jī)將基本上打碎因特網(wǎng)。這就開啟了量子密碼的研究。美國安全部門很快就開始研究量子硬件。過去20年主要是政府花掉了幾十億美元?，F(xiàn)在這個技術(shù)已經(jīng)接近商業(yè)化，風(fēng)險投資也已介入。所以，目前對量子的大肆宣傳并不奇怪。

量子計算機(jī)怎么工作呢？大家知道，量子的狀態(tài)不是用0和1能表達(dá)的。量子計算機(jī)建基于量子位，它是一個量子對象，有無窮個狀態(tài)，與是0或1的概率有關(guān)。任何東西，譬如電子、光子，只要帶有量子性質(zhì)、能隔離、能控制，就可以作為量子位。

當(dāng)量子位裝入計算機(jī)，它就得接觸某些機(jī)構(gòu)，能給它傳遞電磁能量。為了運(yùn)行一個特定的程序，計算機(jī)用一個精心設(shè)計的序列，譬如微波傳送，以一定頻率在一定時間去推動量子位。這些脈沖對應(yīng)于量子程序的指令。每條指令使量子位的未測量狀態(tài)用特定方式卷入該過程。這些脈沖運(yùn)作并不是針對一個量子位，而是針對系統(tǒng)中所有量子位，各量子位接收到不同的脈沖指令。量子計算機(jī)中的量子位通過一個所謂糾纏的過程進(jìn)行交互，就像說話，聯(lián)系著它們的命運(yùn)。量子計算機(jī)的研究者們關(guān)注的重點是任何用量子位有序狀態(tài)的變化去完成有用的計算。成千上萬的脈沖之后，程序完成，測量量子位得到計算的最后結(jié)果，從而使每一個量子位變成0或1，波形函數(shù)變成了量子機(jī)械。

這個過程很工程化，但必須保證在計算過程中量子位不被干擾。做到這一點非常困難。這就是為什么搞了這么多年，還只能做一二十個量子位，完成最簡單的算術(shù)運(yùn)算。由于干擾，量子位極易發(fā)生錯誤。因此，量子位必須有冗余的備份。當(dāng)一位出錯時，能用備份位糾正之。這種差錯校正在正規(guī)的計算機(jī)里面也有，但備份位的數(shù)量在量子系統(tǒng)中就多得多。工程師們估計，在可靠的量子計算機(jī)中。每一個量子位需要1000個備份位，或者更多。因為許多近代算法一開始就要上千的量子位，所以，有用的量子機(jī)器可能需要上百萬的量子位。

最近宣布的Google量子計算芯片只有72個量子位。能不能有用就決定于它們的差錯出現(xiàn)率有多高。Google的量子計算機(jī)團(tuán)隊的先鋒是2014年從加州大學(xué)圣巴巴拉分校招來的。去年11月IBM宣布他們做了50量子位的計算機(jī)，INTEL宣布做出了49量子位陣列，還有新開的在加州伯克利的Rigetti，都依賴于特殊設(shè)計的芯片，用虛擬的超導(dǎo)電路環(huán)路使之具有了量子性。這些芯片必須保持在極低的溫度下，冷卻機(jī)制變得非常復(fù)雜，就像好萊塢的科幻電影道具，制造一個小系統(tǒng)。杜克大學(xué)物理學(xué)家Jungsang Kim和馬里蘭大學(xué)的Christopher Monroe新開一家公司IonQ，用完全不同的量子硬件結(jié)構(gòu)。一個量子質(zhì)點，即離子，懸浮在系統(tǒng)中，工作在室溫下。他們用鐿離子做了一個機(jī)器。微軟追求第三條途徑，叫拓?fù)淞孔佑嬎?，有理論承諾，但沒有建造出硬件。

所有這些系統(tǒng)都沒有做出被公眾接受的與量子有關(guān)的計算平臺。加拿大的D-Wave系統(tǒng)已經(jīng)安裝在大公司里面，譬如Google和Volkswagen，但是，從量子計算的領(lǐng)域?qū)＜铱磥恚珼-Wave系統(tǒng)不能做任何傳統(tǒng)計算機(jī)不能做的事，也沒有達(dá)到任何量子加速。

看來Google-IBM-Rigetti的超導(dǎo)路線在硬件競賽中占了上風(fēng)。但是，不知道哪一種會最終取得勝利，或者三種都能并存。量子編程者并不在乎誰獲勝，只要量子位好用就可以了。

量子計算的未知之一是機(jī)器增加量子位能有多快。對于傳統(tǒng)的計算機(jī)技術(shù)，摩爾定律保證兩年晶體管數(shù)可以翻一翻，但是，帶量子機(jī)器的復(fù)雜電子卻沒有如此的預(yù)測。許多工程師預(yù)期在最近的將來，可能會有帶少量量子位的機(jī)器，譬如幾百個量子位。因為光是基本顯示量子權(quán)威的機(jī)器可能提供不出什么有用的結(jié)果，而成熟的系統(tǒng)可能在許多年以后。所以，工程師們關(guān)注適當(dāng)大小的量子系統(tǒng)上的算法能夠在近期實現(xiàn)。有人懷疑：量子計算機(jī)是否能夠在近期內(nèi)解決現(xiàn)實世界的問題，或者用它來賺錢。我們需要更大的系統(tǒng)。

自從MIT的Shor開發(fā)了提取因子的算法，量子計算就與密碼學(xué)緊密聯(lián)系起來，但是，廢除因特網(wǎng)的密碼技術(shù)，使量子領(lǐng)域意識到Shor-worthy機(jī)器還有很長的路要走，而且，后量子密碼學(xué)還要對任何量子攻擊不受影響?，F(xiàn)在NIST正在評估各種后量子密碼方案。

最近研究人員不只關(guān)注加密技術(shù)，在Feynman關(guān)于量子計算原始想法的指引下轉(zhuǎn)向研究用機(jī)器模型化原子和分子。在NIST量子算法Zoo里面模擬物理和化學(xué)，但代價比較高，譬如想象超導(dǎo)金屬在室溫下會怎么樣。

非理性的繁榮應(yīng)該防止。馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家和計算機(jī)科學(xué)家Andrew Childs預(yù)言，第一代量子計算機(jī)只能處理相當(dāng)簡單的物理和化學(xué)問題。你可以用幾個比特位回答凝聚態(tài)物理里的問題，但是，弄懂高溫超導(dǎo)就需要很多比特位。

有了量子計算機(jī)，就要有越來越多的優(yōu)化，實踐的程序員得到實惠越多，他們的算法就會越好。這就是為什么IBM的量子機(jī)器放到網(wǎng)上，讓研究人員隨便改。我們需要可用的量子機(jī)器和算法的改進(jìn)，需要上萬的學(xué)生來促進(jìn)這一領(lǐng)域。經(jīng)典計算已經(jīng)100年了，我們不希望還在電子管時代。希望還在，但路還很長。看下面的圖片即可略知一二。

圖1：IBM和Google的量子計算機(jī)需要冷卻到接近絕對零度才能工作，此冷卻是用一個稀釋冰箱。下面是其框圖。

圖2：谷歌是用超導(dǎo)量子處理器，譬如下面的22個比特位排成兩行。

圖3：IBM用16比特位量子處理器去驅(qū)動IBM公用平臺，探索量子計算。

圖4：去年一月，INTEL宣布制造出49量子位的超導(dǎo)量子計算處理器，被稱為Tangle lake。

圖5：2016年IonQ演示一個可以工作的5量子位計算機(jī)，用激光處理設(shè)備中的鐿離子阱。

圖6：在加州伯克利剛開張的Rigetti最近開始制造19量子位超導(dǎo)處理器芯片。